复合转子开绕组无刷双馈风力发电机及其直接功率控制策略

With the development of wind power generation, especially off-shore wind farm, the unit capacity of wind turbines is becoming larger and larger, which has higher and higher requirement on the reliability and performance-price ratio of generator. But the reliability of variable speed constant frequency (VSCF) brush doubly-fed generator and the performance-price ratio of permanent magnet synchronous generator, which are widely applied to large wind turbines, can not well satisfy the objective requirements of this trend at present. Brushless doubly-fed generator (BDFG) has the outstanding advantages of brushless reliability, easiness to implement VSCF and low-speed direct-drive, small capacity of required converter, low cost and so on, which has a broad application prospect in large off-shore wind farm system. This project proposes a kind of open-winding brushless doubly-fed wind power generator with novel hybrid rotor and its direct power control system to improve the power density, wind power conversion efficiency and generation quality of this generator for the first time. Plan to roundly and deeply study the key basic problems, such as the novel rotor structure optimization, the open-winding control winding excitation control technology, the direct power control strategy and so on. The complete theory system and analysis design method of this generator and its control system are formed through theory and experiment study. This project study not only has significant engineering value for promoting the practical application of BDFG, but also the solved academic problems have important scientific significance.

随着风电，特别是海上风电的发展，风电机组单机容量越来越大，这对发电机可靠性和性能/价格比的要求越来越高。而目前在大型风电机组中广泛应用的变速恒频有刷双馈发电机的可靠性和永磁同步发电机的性能/价格比，已不能很好满足这一发展趋势的客观要求。无刷双馈发电机具有无刷可靠、便于实现变速恒频和低速直驱，以及所需变流器容量小、成本低等突出优点，在大型海上风电系统中应用前景广阔。为更好地提高该种发电机的功率密度、风电转换效率和发电质量，本项目首次提出了一种具有新型复合转子和开绕组结构的无刷双馈风力发电机及其直接功率控制系统，拟对新型转子结构的优化、控制绕组开绕组励磁控制技术和直接功率控制策略等关键基础问题进行全面深入的研究，通过理论与实验研究，形成该种发电机及其控制系统完整的理论体系和分析设计方法。本项目研究不仅对推动无刷双馈发电机的实际应用具有重要工程应用价值，而且所解决的学术问题亦具有重要的科学意义。

随着风电，特别是海上风电的发展，风电机组单机容量越来越大，这对发电机可靠性和性能/价格比的要求越来越高。而目前在大型风电机组中广泛应用的变速恒频有刷双馈发电机的可靠性和永磁同步发电机的性能/价格比，已不能很好满足这一发展趋势的客观要求。无刷双馈发电机（BDFG）具有无刷可靠、便于实现变速恒频和低速直驱，以及所需变流器容量小、成本低等突出优点，在大型海上风电系统中应用前景广阔。.为更好的提高该种发电机的功率密度、风电转换效率和发电质量，本项目首次提出了一种新型复合转子开绕组无刷双馈风力发电机及其直接功率控制系统，对新型转子结构的优化、控制绕组开绕组励磁控制技术和直接功率控制策略等关键基础问题进行了全面深入的研究。基于BDFG转子演变历程和磁场调制机理，提出了具有强耦合能力的隔磁磁障与短路笼条相结合的新型复合转子结构，揭示了该种转子的磁场调制机理；分析了新型复合转子结构参数对BDFG磁场调制能力的影响，确定了获得最佳耦合能力的电机结构参数方案；对新型复合转子BDFG进行了电磁分析和动态特性仿真，并与磁障转子BDFG的运行性能进行了对比分析；首次设计、研制了8+4极新型复合转子和磁障转子共用同一定子的两台BDFG试验样机，对两种不同转子结构BDFG的运行性能进行了全面的对比实验研究；研究了复合转子开绕组BDFG不同运行方式下的直接功率控制策略并研发了相应的励磁控制系统。结果表明，复合转子BDFG定子两套绕组之间的互感比磁障转子的略大，直流分量较小，而自感均明显小于磁障转子，验证了复合转子具有更强的磁场调制能力，进而提高了复合转子BDFG的带载能力；采用直接功率控制的复合转子开绕组BDFG系统的有功和无功功率能够平稳跟踪给定功率，且脉动较小，输出频率能够保持在50Hz，可实现变速恒频运行，验证了所提出控制方法的正确性和有效性。通过理论与实验研究，形成了该种发电机及其控制系统较为完整的理论体系和分析设计方法。.结合该项目的研究，培养博士2名（已毕业1名，在读1名），硕士5名（已毕业3名，在读2名）；在国内外重要学术刊物及国际会议上发表论文21篇，其中被SCI收录2篇、EI收录16篇，另有1篇期刊论文已录用待发表；获授权国家发明专利4项，其中发明专利2项，实用新型专利2项。.本项目研究不仅对推动BDFG的实际应用具有重要工程应用价值，而且所解决的学术问题亦具有重要的科学意义。